JP2010218771A - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely perform efficient power generation while maintaining a temperature environment during power generation to be constant between fuel cells adjoining each other, with a simple and economical configuration. <P>SOLUTION: A fuel cell unit 12 constituting a fuel cell stack 10 includes an anode side separator 14, a first electrolytic film-electrode structure body 16a, an intermediate separator 18, a second electrolytic film-electrode structure body 16b and a cathode side separator 20. Between the first and second electrolytic film-electrode structure bodies 16a and 16b, there are provided a first oxidant gas flow path 44 for supplying an oxidant gas to the first electrolytic film-electrode structure body 16a and a second fuel gas flow path 46 for supplying a fuel gas to the second electrolytic film-electrode structure body 16b, alternately along the electrode surface direction. A second coolant flow path 48 is formed between the second fuel gas flow path 46 and the first electrolytic film-electrode structure body 16a. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を備え、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、中間セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第２セパレータの順に積層される燃料電池ユニットが複数積層される燃料電池スタックに関する。   The present invention includes first and second electrolyte / electrode structures in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and includes a first separator, the first electrolyte / electrode structure, an intermediate separator, and the second electrolyte / electrode structure. The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell units that are stacked in the order of a body and a second separator are stacked.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。   In the above fuel cell, in the plane of the separator, a fuel gas channel for flowing fuel gas facing the anode side electrode, and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas facing the cathode side electrode And are provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。積層方向の寸法が有効に短尺化され、特に多数の単位セルが積層される燃料電池スタックでは、容易に小型化されるからである。   By the way, the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of unit cells. This is because the dimensions in the stacking direction are effectively shortened, and particularly in a fuel cell stack in which a large number of unit cells are stacked, the size can be easily reduced.

この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図１１に示す特許文献１に開示されているように、セパレータ１、セル２、セパレータ３、セル２及びセパレータ４が積層されている。   In a fuel cell having this type of thinning cooling structure, for example, as disclosed in Patent Document 1 shown in FIG. 11, a separator 1, a cell 2, a separator 3, a cell 2 and a separator 4 are laminated.

セル２は、固体高分子電解質膜２ａの両面に燃料極２ｂ及び空気極２ｃが配設されている。セパレータ１と一方のセル２との間には、燃料ガス通路５ａが形成され、セパレータ３と前記一方のセル２との間には、酸化剤ガス通路６ａが形成されている。セパレータ３と他方のセル２との間には、燃料ガス通路５ｂが形成されるとともに、セパレータ４と前記他方のセル２との間には、酸化剤ガス通路６ｂが形成されている。互いに隣接するセパレータ１、４間には、冷却水通路７が形成されている。   In the cell 2, the fuel electrode 2b and the air electrode 2c are disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 2a. A fuel gas passage 5 a is formed between the separator 1 and one cell 2, and an oxidant gas passage 6 a is formed between the separator 3 and the one cell 2. A fuel gas passage 5 b is formed between the separator 3 and the other cell 2, and an oxidant gas passage 6 b is formed between the separator 4 and the other cell 2. A cooling water passage 7 is formed between the separators 1 and 4 adjacent to each other.

特開２００２−２８９２２３号公報JP 2002-289223 A

上記の燃料電池では、特に、冷却水通路７に接する酸化剤ガス通路６ｂが、前記冷却水通路７に接する燃料ガス通路５ａよりも高温になっている。一方、冷却水通路７に接しない酸化剤ガス通路６ａは、前記冷却水通路７に接しない燃料ガス通路５ｂよりも高温になっている。このため、セル２間では、発電中の温度環境が異なってしまい、前記発電中に発生する結露水量が均一化されず、安定した発電が行われないという問題がある。   In the above fuel cell, in particular, the oxidant gas passage 6 b in contact with the cooling water passage 7 is at a higher temperature than the fuel gas passage 5 a in contact with the cooling water passage 7. On the other hand, the oxidant gas passage 6 a that does not contact the cooling water passage 7 is at a higher temperature than the fuel gas passage 5 b that does not contact the cooling water passage 7. For this reason, there is a problem that the temperature environment during power generation differs between the cells 2, the amount of condensed water generated during power generation is not uniformized, and stable power generation is not performed.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、互いに隣接する燃料電池間で、発電中の温度環境を一定に維持し、効率的な発電を確実に行うことが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, maintains a constant temperature environment during power generation between adjacent fuel cells and reliably performs efficient power generation. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of satisfying the requirements.

本発明は、電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を備え、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、中間セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第２セパレータの順に積層される燃料電池ユニットが複数積層される燃料電池スタックに関するものである。   The present invention includes first and second electrolyte / electrode structures in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and includes a first separator, the first electrolyte / electrode structure, an intermediate separator, and the second electrolyte / electrode structure. The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell units that are stacked in the order of the body and the second separator are stacked.

この燃料電池スタックは、第１及び第２電解質・電極構造体間には、前記第１電解質・電極構造体に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路と、前記第２電解質・電極構造体に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２反応ガス流路と前記第１電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されている。   The fuel cell stack includes a first reaction gas channel for supplying one reaction gas to the first electrolyte / electrode structure, and the second electrolyte / electrode between the first and second electrolyte / electrode structures. Second reaction gas flow paths for supplying the other reaction gas to the structure are alternately provided along the electrode surface direction, and between the second reaction gas flow path and the first electrolyte / electrode structure. Has a cooling medium flow path.

また、中間セパレータは、第１及び第２金属プレートを備え、前記第１金属プレートは、第１電解質・電極構造体から離間して第１反応ガス流路を形成する第１凹部と前記第１電解質・電極構造体側に突出する第１凸部とを交互に設ける一方、前記第２金属プレートは、第２電解質・電極構造体から離間して第２反応ガス流路を形成する第２凹部と前記第２電解質・電極構造体側に突出する第２凸部とを交互に設け、且つ前記第２凹部の裏面側が前記第１金属プレートの前記第１凸部の裏面側に間隙を有して配置されることにより、前記冷却媒体流路が形成されることが好ましい。   The intermediate separator includes first and second metal plates, and the first metal plate is spaced apart from the first electrolyte / electrode structure to form a first reaction gas channel and the first recess. While the first convex portions protruding to the electrolyte / electrode structure side are alternately provided, the second metal plate is spaced apart from the second electrolyte / electrode structure to form a second reactive gas flow path and a second concave portion Second convex portions protruding to the second electrolyte / electrode structure side are alternately provided, and the rear surface side of the second concave portion is disposed with a gap on the rear surface side of the first convex portion of the first metal plate. Thus, it is preferable that the cooling medium flow path is formed.

さらに、第１金属プレートは、第１凸部が第１電解質・電極構造体に接する一方、第１凹部の裏面が、第２電解質・電極構造体に接する第２金属プレートの第２凸部の裏面に接することが好ましい。   Further, the first metal plate has a first convex portion in contact with the first electrolyte / electrode structure, while a back surface of the first concave portion is a second convex portion of the second metal plate in contact with the second electrolyte / electrode structure. It is preferable to contact the back surface.

さらにまた、冷却媒体流路は、第１金属プレートの第１電解質・電極構造体に接する第１凸部の冷却媒体接触面積が、第２金属プレートの第２電解質・電極構造体に接する第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積とは異なることが好ましい。   Furthermore, in the cooling medium flow path, the cooling medium contact area of the first convex portion in contact with the first electrolyte / electrode structure of the first metal plate is the second in contact with the second electrolyte / electrode structure of the second metal plate. It is preferable that the cooling medium contact area on the back surface of the convex portion is different.

また、第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、第１電解質・電極構造体に接する第１凸部の冷却媒体接触面積は、第２電解質・電極構造体に接する第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積より大きく設定されることが好ましい。   The first reactive gas flow path is an oxidant gas flow path, while the second reactive gas flow path is a fuel gas flow path, and the first convex cooling medium in contact with the first electrolyte / electrode structure. The contact area is preferably set larger than the cooling medium contact area on the back surface of the second convex portion in contact with the second electrolyte / electrode structure.

さらに、中間セパレータは、第１金属プレート及び第２金属プレートにシール部材が一体成形されて構成されることが好ましい。   Furthermore, the intermediate separator is preferably configured by integrally forming a seal member on the first metal plate and the second metal plate.

本発明によれば、第１及び第２電解質・電極構造体間には、前記第１電解質・電極構造体に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路と、前記第２電解質・電極構造体に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２反応ガス流路と前記第１電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されている。   According to the present invention, between the first and second electrolyte / electrode structures, the first reaction gas flow path for supplying one reaction gas to the first electrolyte / electrode structure, and the second electrolyte / electrode Second reaction gas flow paths for supplying the other reaction gas to the structure are alternately provided along the electrode surface direction, and between the second reaction gas flow path and the first electrolyte / electrode structure. Has a cooling medium flow path.

このため、第１反応ガス流路と第２反応ガス流路とが、積層方向に重なり合う構成に比べて、前記積層方向の寸法が良好に短尺化される。これにより、間引き冷却構造と同様に、積層方向の寸法が有効に短尺化され、特に多数の単位セルが積層される燃料電池スタックでは、小型化が容易に図られる。   For this reason, the dimension of the said lamination direction is shortened favorably compared with the structure with which a 1st reaction gas flow path and a 2nd reaction gas flow path overlap in a lamination direction. As a result, similar to the thinning cooling structure, the dimension in the stacking direction is effectively shortened, and particularly in a fuel cell stack in which a large number of unit cells are stacked, the size can be easily reduced.

しかも、第１電解質・電極構造体と第２電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されている。従って、間引き冷却構造に比べて冷却性能が良好に向上する。これにより、簡単且つ経済的な構成で、互いに隣接する燃料電池ユニット間で、発電中の温度環境を一定に維持し、効率的な発電を確実に行うことが可能になる。   In addition, a cooling medium flow path is formed between the first electrolyte / electrode structure and the second electrolyte / electrode structure. Therefore, the cooling performance is improved better than the thinned cooling structure. Thereby, with a simple and economical configuration, the temperature environment during power generation can be maintained constant between adjacent fuel cell units, and efficient power generation can be reliably performed.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell unit constituting the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell stack taken along line II-II in FIG. 1. 前記燃料電池ユニットを構成する中間セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the intermediate separator which comprises the said fuel cell unit. 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack taken along line IV-IV in FIG. 1. 前記燃料電池スタックの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack taken along line VV in FIG. 1. 前記燃料電池スタックの、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack taken along line VI-VI in FIG. 1. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell unit which comprises the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池スタックの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図である。FIG. 8 is a sectional view of the fuel cell stack taken along line VIII-VIII in FIG. 7. 前記燃料電池ユニットを構成する中間セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the intermediate separator which comprises the said fuel cell unit. 前記燃料電池スタックの、図７中、Ｘ−Ｘ線断面説明図である。FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack taken along line XX in FIG. 7. 特許文献１に開示されている間引き冷却構造を有する燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell which has the thinning | cooling cooling structure currently disclosed by patent document 1. FIG.

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。燃料電池ユニット１２は、アノード側セパレータ（第１セパレータ）１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ａ、中間セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側セパレータ（第２セパレータ）２０を設ける。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention is configured by stacking a plurality of fuel cell units 12 along the horizontal direction (arrow A direction). . The fuel cell unit 12 includes an anode-side separator (first separator) 14, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) (MEA) 16a, an intermediate separator 18, a second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and A cathode side separator (second separator) 20 is provided.

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、固体高分子電解質膜２２よりも小さな表面積を有する。   The first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 22 The electrode 24 and the cathode side electrode 26 are provided. The anode side electrode 24 and the cathode side electrode 26 have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane 22.

アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。   The anode side electrode 24 and the cathode side electrode 26 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.

図１に示すように、燃料電池ユニット１２の水平方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。   As shown in FIG. 1, an oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge of the fuel cell unit 12 in the horizontal direction (arrow B direction). An agent gas inlet communication hole 30a, a cooling medium outlet communication hole 32b for discharging the cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

燃料電池ユニット１２の水平方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。   The other end edge of the fuel cell unit 12 in the horizontal direction (arrow B direction) communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, and a coolant for supplying a coolant. A cooling medium inlet communication hole 32a and an oxidant gas outlet communication hole 30b for discharging the oxidant gas are provided.

アノード側セパレータ１４、中間セパレータ（後述するように、２枚の金属プレートからなる）１８及びカソード側セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。アノード側セパレータ１４、中間セパレータ１８及びカソード側セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、アノード側セパレータ１４、中間セパレータ１８及びカソード側セパレータ２０は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。   The anode-side separator 14, the intermediate separator (consisting of two metal plates as will be described later) 18, and the cathode-side separator 20 are, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof for corrosion protection. It is comprised with the metal plate which gave the surface treatment. The anode side separator 14, the intermediate separator 18, and the cathode side separator 20 have a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape. In addition, you may comprise the anode side separator 14, the intermediate | middle separator 18, and the cathode side separator 20 with a carbon separator, for example.

アノード側セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する第１燃料ガス流路３６が設けられる。第１燃料ガス流路３６は、凹部（流路溝）３６ａと凸部３６ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設けることにより形成される（図２参照）。第１燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂと連通する。   On the surface 14a of the anode separator 14 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a, for example, a first fuel gas channel 36 extending in the direction of arrow B is provided. The first fuel gas channel 36 is formed by alternately providing recesses (channel grooves) 36a and projections 36b in the direction of arrow C (see FIG. 2). The first fuel gas passage 36 communicates with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b.

アノード側セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する第１冷却媒体流路３８の一部が形成される。   A part of the first cooling medium flow path 38 that connects the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed on the surface 14b of the anode separator 14.

中間セパレータ１８は、図２に示すように、第１金属プレート４０及び第２金属プレート４２を接合して構成される。第１金属プレート４０は、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に配置される一方、第２金属プレート４２は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に配置され、互いに溶接等によって一体化される。   As shown in FIG. 2, the intermediate separator 18 is configured by joining a first metal plate 40 and a second metal plate 42. The first metal plate 40 is disposed on the first electrolyte membrane / electrode structure 16a side, while the second metal plate 42 is disposed on the second electrolyte membrane / electrode structure 16b side and integrated with each other by welding or the like. Is done.

図２及び図３に示すように、第１金属プレート４０には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路４４が形成される。第１酸化剤ガス流路４４は、第１電解質膜・電極構造体１６ａから離間する第１凹部（流路溝）４４ａと、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに接する第１凸部４４ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設ける。   As shown in FIGS. 2 and 3, the first metal plate 40 is formed with a first oxidant gas flow path 44 that connects the oxidant gas inlet communication hole 30 a and the oxidant gas outlet communication hole 30 b. The first oxidant gas flow path 44 includes a first concave portion (flow channel groove) 44a that is separated from the first electrolyte membrane / electrode structure 16a, and a first convex portion 44b that is in contact with the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. Are alternately provided in the direction of arrow C.

第２金属プレート４２は、図１及び図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４６を設ける。第２燃料ガス流路４６は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂから離間する第２凹部（流路溝）４６ａと、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接する第２凸部４６ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設ける。   As shown in FIGS. 1 and 2, the second metal plate 42 is provided with a second fuel gas channel 46 that communicates with the fuel gas inlet communication hole 34 a and the fuel gas outlet communication hole 34 b. The second fuel gas flow channel 46 includes a second recess (flow channel groove) 46a that is separated from the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and a second convex portion 46b that contacts the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. Are alternately provided in the direction of arrow C.

図２に示すように、第２燃料ガス流路４６を構成する第２凹部４６ａは、第１酸化剤ガス流路４４を構成する第１凹部４４ａよりも積層方向（矢印Ａ方向）の深さが小さく設定される。この第２凹部４６ａの裏面側は、第１金属プレート４０の第１凸部４４ｂの裏面側に所定の隙間Ｓを設けて配置される。   As shown in FIG. 2, the second recess 46 a constituting the second fuel gas channel 46 is deeper in the stacking direction (arrow A direction) than the first recess 44 a constituting the first oxidant gas channel 44. Is set smaller. The back surface side of the second recess 46 a is arranged with a predetermined gap S on the back surface side of the first protrusion 44 b of the first metal plate 40.

第１金属プレート４０の第１凹部４４ａの裏面は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接する第２金属プレート４２の第２凸部４６ｂの裏面に接触している。第１凸部４４ｂの裏面側と第２凹部４６ａの裏面側との間には、第２冷却媒体流路４８が形成される。   The back surface of the first concave portion 44a of the first metal plate 40 is in contact with the back surface of the second convex portion 46b of the second metal plate 42 that contacts the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. A second cooling medium flow path 48 is formed between the back surface side of the first protrusion 44b and the back surface side of the second recess 46a.

第２冷却媒体流路４８では、第１金属プレート４０の第１電解質膜・電極構造体１６ａに接する第１凸部４４ｂの冷却媒体接触面積（範囲Ｈ２の接触面積）は、第２金属プレート４２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接する第２凸部４６ｂの冷却媒体接触面積（範囲Ｈ１×２に対応する接触面積）より大きく設定される。   In the second cooling medium flow path 48, the cooling medium contact area (contact area in the range H <b> 2) of the first protrusion 44 b in contact with the first electrolyte membrane / electrode structure 16 a of the first metal plate 40 is the second metal plate 42. The cooling medium contact area (contact area corresponding to the range H1 × 2) of the second convex portion 46b in contact with the second electrolyte membrane / electrode structure 16b is set.

図１及び図４に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａと第２冷却媒体流路４８の入口側との間には、第１金属プレート４０と第２金属プレート４２とを互いに所定の間隔だけ離間させることにより、入口側連通路５０ａが設けられる。同様に、冷却媒体出口連通孔３２ｂと第２冷却媒体流路４８の出口側との間には、第１金属プレート４０と第２金属プレート４２とを互いに所定の間隔だけ離間させることにより、出口側連通路５０ｂが設けられる（図３参照）。   As shown in FIGS. 1 and 4, the first metal plate 40 and the second metal plate 42 are spaced apart from each other between the cooling medium inlet communication hole 32 a and the inlet side of the second cooling medium flow path 48. The entrance side communication path 50a is provided by making it separate only. Similarly, the first metal plate 40 and the second metal plate 42 are spaced apart from each other by a predetermined distance between the cooling medium outlet communication hole 32b and the outlet side of the second cooling medium flow path 48, whereby the outlet A side communication path 50b is provided (see FIG. 3).

図１に示すように、カソード側セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５２が形成される。第２酸化剤ガス流路５２は、凹部（流路溝）５２ａと凸部５２ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設けることにより形成される。   As shown in FIG. 1, the surface 20a of the cathode separator 20 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b is connected to the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. An agent gas flow path 52 is formed. The second oxidant gas flow channel 52 is formed by alternately providing concave portions (flow channel grooves) 52a and convex portions 52b in the arrow C direction.

図１及び図２に示すように、アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。図１〜図４に示すように、中間セパレータ１８を構成する第１金属プレート４０及び第２金属プレート４２には、これらの外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。カソード側セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５８が一体成形される（図１及び図２参照）。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 54 is integrally formed on the surfaces 14 a and 14 b of the anode side separator 14 around the outer peripheral edge of the anode side separator 14. As shown in FIGS. 1 to 4, the first metal plate 40 and the second metal plate 42 constituting the intermediate separator 18 are integrally formed with the second seal member 56 around the outer peripheral edge portions thereof. . A third seal member 58 is integrally formed on the surfaces 20a and 20b of the cathode side separator 20 around the outer peripheral edge of the cathode side separator 20 (see FIGS. 1 and 2).

燃料電池ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の燃料電池ユニット１２を構成するアノード側セパレータ１４と、他方の燃料電池ユニット１２を構成するカソード側セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する第１冷却媒体流路３８が形成される（図１及び図２参照）。   By stacking the fuel cell units 12 on each other, an arrow B direction is provided between the anode side separator 14 constituting one fuel cell unit 12 and the cathode side separator 20 constituting the other fuel cell unit 12. A first cooling medium flow path 38 is formed extending to (see FIGS. 1 and 2).

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、酸化剤ガスは、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから中間セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４４及びカソード側セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路５２に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。   Therefore, as shown in FIGS. 1 and 5, the oxidant gas flows from the oxidant gas inlet communication hole 30 a to the first oxidant gas flow path 44 of the intermediate separator 18 and the second oxidant gas flow of the cathode side separator 20. It is introduced into the path 52. The oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant gas flow path 44, and is supplied to the cathode side electrode 26 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. It moves in the direction of arrow B along the oxidant gas flow path 52 and is supplied to the cathode electrode 26 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.

一方、燃料ガスは、図１及び図６に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１４の第１燃料ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。同様に、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから中間セパレータ１８の第２燃料ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。   On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 6, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel gas flow path 36 of the anode side separator 14 from the fuel gas inlet communication hole 34 a, and the first electrolyte membrane / It is supplied to the anode side electrode 24 of the electrode structure 16a. Similarly, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the second fuel gas flow path 46 of the intermediate separator 18 from the fuel gas inlet communication hole 34a, and reaches the anode side electrode 24 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. Supplied.

これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Thus, in the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 24 are within the electrode catalyst layer. It is consumed by electrochemical reaction to generate electricity.

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode-side electrodes 26 of the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. The

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、アノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。   In the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 24 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b.

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体の一部は、一方の燃料電池ユニット１２を構成するアノード側セパレータ１４と、他方の燃料電池ユニット１２を構成するカソード側セパレータ２０との間に形成された第１冷却媒体流路３８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。   On the other hand, a part of the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32 a is between the anode separator 14 constituting one fuel cell unit 12 and the cathode separator 20 constituting the other fuel cell unit 12. After being introduced into the first cooling medium flow path 38 formed in the above, it circulates in the direction of arrow B.

冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体の他の一部は、中間セパレータ１８を構成する第１金属プレート４０と第２金属プレート４２との間に形成された入口側連通路５０ａに導入される。   Another part of the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the inlet-side communication path 50a formed between the first metal plate 40 and the second metal plate 42 constituting the intermediate separator 18. Is done.

図４に示すように、入口側連通路５０ａは、中間セパレータ１８内に形成された第２冷却媒体流路４８に連通しており、冷却媒体は、前記第２冷却媒体流路４８に沿って矢印Ｂ方向に流通する。従って、第１及び第２冷却媒体流路３８、４８に沿って移動する冷却媒体により、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂが冷却される。   As shown in FIG. 4, the inlet-side communication path 50 a communicates with a second cooling medium flow path 48 formed in the intermediate separator 18, and the cooling medium passes along the second cooling medium flow path 48. Circulate in the direction of arrow B. Therefore, the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b are cooled by the cooling medium moving along the first and second cooling medium flow paths 38 and 48.

第１冷却媒体流路３８を流動した冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出されるとともに、第２冷却媒体流路４８を流動した冷却媒体は、出口側連通路５０ｂを通って前記冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。   The cooling medium that has flowed through the first cooling medium flow path 38 is discharged to the cooling medium outlet communication hole 32b, and the cooling medium that has flowed through the second cooling medium flow path 48 passes through the outlet side communication path 50b and is cooled by the cooling medium. It is discharged to the medium outlet communication hole 32b.

この場合、第１の実施形態では、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間には、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス流路４４と、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂに燃料ガスを供給する第２燃料ガス流路４６とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２燃料ガス流路４６と前記第１電解質膜・電極構造体１６ａとの間には、第２冷却媒体流路４８が形成されている。   In this case, in the first embodiment, the first oxidant gas that supplies the oxidant gas to the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is provided between the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a, 16b. The flow paths 44 and the second fuel gas flow paths 46 for supplying fuel gas to the second electrolyte membrane / electrode structure 16b are alternately provided along the electrode surface direction, and the second fuel gas flow paths are provided. A second cooling medium channel 48 is formed between the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the first electrolyte membrane / electrode structure 16a.

このため、各燃料電池ユニット１２間のように、第２酸化剤ガス流路５２と第１燃料ガス流路３６とが積層方向（矢印Ａ方向）に重なり合う構成に比べ、前記積層方向の寸法が良好に短尺化される。   Therefore, the dimension in the stacking direction is larger than the configuration in which the second oxidant gas flow path 52 and the first fuel gas flow path 36 overlap in the stacking direction (arrow A direction) as between the fuel cell units 12. It is shortened well.

これにより、燃料電池ユニット１２では、所謂、間引き冷却構造と同様に、積層方向の寸法が有効に短尺化される。特に、多数の燃料電池ユニット１２が積層される燃料電池スタック１０では、小型化が容易に図られるという効果が得られる。   Thereby, in the fuel cell unit 12, the dimension in the stacking direction is effectively shortened as in the so-called thinning cooling structure. In particular, in the fuel cell stack 10 in which a large number of fuel cell units 12 are stacked, an effect that the size can be easily reduced is obtained.

しかも、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間には、第２冷却媒体流路４８が形成されている。従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間に間引き冷却構造を用いる場合に比べ、冷却性能が有効に向上する。   In addition, a second cooling medium channel 48 is formed between the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. Therefore, the cooling performance is effectively improved as compared with the case where the thinning cooling structure is used between the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b.

さらに、第２冷却媒体流路４８では、第１電解質膜・電極構造体１６ａを構成するカソード側電極２６に接する第１凸部４４ｂの冷却媒体接触面積が、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを構成するアノード側電極２４に接する第２凸部４６ｂの冷却媒体接触面積よりも大きく設定されている。   Further, in the second cooling medium flow path 48, the cooling medium contact area of the first convex portion 44b in contact with the cathode-side electrode 26 constituting the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. Is set to be larger than the cooling medium contact area of the second convex portion 46b in contact with the anode side electrode 24 constituting the.

ここで、燃料電池スタック１０の発電時に、カソード側電極２６は、アノード側電極２４よりも高温になり易い。従って、第２冷却媒体流路４８において、カソード側電極２６に接する冷却媒体接触面積を、アノード側電極２４に接する冷却媒体接触面積よりも大きく設定することにより、前記カソード側電極２６の冷却が促進される。   Here, during power generation of the fuel cell stack 10, the cathode side electrode 26 is likely to be hotter than the anode side electrode 24. Therefore, in the second cooling medium flow path 48, the cooling medium contact area in contact with the cathode side electrode 26 is set larger than the cooling medium contact area in contact with the anode side electrode 24, thereby promoting the cooling of the cathode side electrode 26. Is done.

これにより、各燃料電池ユニット１２内及び各燃料電池ユニット１２間で、発電中の温度環境を一定に維持することができ、安定的且つ効率的な発電を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。   As a result, the temperature environment during power generation can be maintained constant within each fuel cell unit 12 and between each fuel cell unit 12, and stable and efficient power generation can be reliably performed. An effect is obtained.

なお、第１の実施形態では、中間セパレータ１８に設けられる入口側連通路５０ａ及び出口側連通路５０ｂが、隣接する燃料電池ユニット１２の前記入口側連通路５０ａ及び前記出口側連通路５０ｂと積層方向に千鳥状に配置されてもよい。このため、積層方向の寸法の短尺化が一層容易に図られる。   In the first embodiment, the inlet-side communication path 50a and the outlet-side communication path 50b provided in the intermediate separator 18 are stacked with the inlet-side communication path 50a and the outlet-side communication path 50b of the adjacent fuel cell unit 12. It may be arranged in a staggered manner in the direction. For this reason, shortening of the dimension of the lamination direction is achieved more easily.

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０を構成する燃料電池ユニット６２の要部分解斜視説明図である。   FIG. 7 is an exploded perspective view of the main part of the fuel cell unit 62 constituting the fuel cell stack 60 according to the second embodiment of the present invention.

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０及び燃料電池ユニット１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the fuel cell stack 10 and the fuel cell unit 12 which concern on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

燃料電池ユニット６２は、アノード側セパレータ（第１セパレータ）６４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）６６ａ、中間セパレータ（後述するように、２枚のプレートからなる）６８、第２電解質膜・電極構造体６６ｂ及びカソード側セパレータ（第２セパレータ）７０を設ける。   The fuel cell unit 62 includes an anode side separator (first separator) 64, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) (MEA) 66a, an intermediate separator (two plates as will be described later). ) 68, a second electrolyte membrane / electrode structure 66b and a cathode side separator (second separator) 70 are provided.

第１及び第２電解質膜・電極構造体６６ａ、６６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。   The first and second electrolyte membrane / electrode structures 66a and 66b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 22 The electrode 24 and the cathode side electrode 26 are provided. The anode side electrode 24 constitutes a so-called stepped MEA having a smaller surface area than the cathode side electrode 26.

燃料電池ユニット６２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス入口連通孔３４ａが設けられる。燃料電池ユニット６２の長辺方向下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。   An oxidant gas inlet communication hole 30a, a cooling medium inlet communication hole 32a, and a fuel gas inlet communication hole 34a are provided at the upper edge of the long side direction (arrow C direction) of the fuel cell unit 62. An oxidant gas outlet communication hole 30b, a cooling medium outlet communication hole 32b, and a fuel gas outlet communication hole 34b are provided at the lower edge in the long side direction of the fuel cell unit 62.

アノード側セパレータ６４は、第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する第１入口側連通路部７２ａ、及び前記第１燃料ガス流路３６と燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１出口側連通路部７２ｂとを設ける。   The anode-side separator 64 includes a first inlet-side communication passage 72a that communicates the first fuel gas passage 36 and the fuel gas inlet communication hole 34a, and the first fuel gas passage 36 and the fuel gas outlet communication hole 34b. And a first outlet side communication passage 72b that communicates with each other.

図７及び図８に示すように、第１入口側連通路部７２ａは、面１４ｂに設けられて燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する複数の連結路７４ａと、前記アノード側セパレータ６４を貫通して前記連結路７４ａ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔７６ａとを有する。   As shown in FIGS. 7 and 8, the first inlet side communication passage portion 72a passes through the anode side separator 64 and a plurality of connection passages 74a provided on the surface 14b and communicating with the fuel gas inlet communication hole 34a. And a plurality of through holes 76a communicating with the connecting passage 74a and the first fuel gas passage 36.

第１出口側連通路部７２ｂは、同様に、面１４ｂに設けられて燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する複数の連結路７４ｂと、アノード側セパレータ６４を貫通して前記連結路７４ｂ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔７６ｂとを有する（図７参照）。   Similarly, the first outlet side communication passage portion 72b is provided on the surface 14b and communicates with the fuel gas outlet communication hole 34b. The first outlet side communication passage portion 72b passes through the anode side separator 64 and the connection passage 74b and the first connection passage 74b. And a plurality of through holes 76b communicating with the fuel gas passage 36 (see FIG. 7).

中間セパレータ６８は、第１金属プレート７８と第２金属プレート８０とを接合するとともに、前記第１及び第２金属プレート７８、８０の外周縁部を第２シール部材５６で一体成形して構成される。   The intermediate separator 68 is configured by joining the first metal plate 78 and the second metal plate 80 and integrally forming the outer peripheral edge portions of the first and second metal plates 78 and 80 with the second seal member 56. The

中間セパレータ６８は、第２燃料ガス流路４６と燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する第２入口側連通路部８２ａ、及び前記第２燃料ガス流路４６と燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第２出口側連通路部８２ｂを設ける。   The intermediate separator 68 includes a second inlet side communication passage portion 82a that communicates the second fuel gas passage 46 and the fuel gas inlet passage 34a, and the second fuel gas passage 46 and the fuel gas outlet passage 34b. A second outlet side communication passage portion 82b that communicates is provided.

図９に示すように、第２入口側連通路部８２ａは、第１金属プレート７８に設けられて燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する複数の連結路８４ａと、中間セパレータ１８を貫通して前記連結路８４ａ及び第２燃料ガス流路４６に連通する複数の貫通孔８６ａとを有する。   As shown in FIG. 9, the second inlet side communication passage portion 82a passes through the intermediate separator 18 through the plurality of connection paths 84a provided in the first metal plate 78 and communicating with the fuel gas inlet communication hole 34a. A plurality of through-holes 86 a communicating with the connection path 84 a and the second fuel gas flow path 46.

第２出口側連通路部８２ｂは、同様に、第１金属プレート７８に設けられて燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する複数の連結路８４ｂと、中間セパレータ６８を貫通して前記連結路８４ｂ及び第２燃料ガス流路４６に連通する複数の貫通孔８６ｂとを有する。   Similarly, the second outlet side communication passage portion 82b is provided in the first metal plate 78 and communicates with the fuel gas outlet communication hole 34b, and through the intermediate separator 68, the connection passage 84b and And a plurality of through holes 86 b communicating with the second fuel gas channel 46.

第１金属プレート７８には、冷却媒体入口連通孔３２ａと第２冷却媒体流路４８とを連通する複数の貫通孔８８ａ、及び冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記第２冷却媒体流路４８とを連通する複数の貫通孔８８ｂが設けられる（図９及び図１０参照）。   The first metal plate 78 includes a plurality of through holes 88a that communicate the cooling medium inlet communication hole 32a and the second cooling medium flow path 48, and the cooling medium outlet communication hole 32b and the second cooling medium flow path 48. A plurality of through holes 88b that communicate with each other are provided (see FIGS. 9 and 10).

このように構成される燃料電池スタック６０では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスは、中間セパレータ６８の第１酸化剤ガス流路４４及びカソード側セパレータ７０の第２酸化剤ガス流路５２に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動する。   In the fuel cell stack 60 configured as described above, the oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30 a is supplied from the first oxidant gas flow path 44 of the intermediate separator 68 and the second oxidant of the cathode side separator 70. It moves in the direction of arrow C (the direction of gravity) along the gas flow path 52.

一方、燃料ガス入口連通孔３４ａに供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ６４の第１入口側連通路部７２ａを構成する連結路７４ａに供給され、貫通孔７６ａを通って面１４ａ側に移動する。このため、燃料ガスは、第１燃料ガス流路３６に沿って（矢印Ｃ方向）に移動する。   On the other hand, the fuel gas supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a is supplied to the connecting path 74a constituting the first inlet side communication path 72a of the anode separator 64, and moves to the surface 14a side through the through hole 76a. To do. Therefore, the fuel gas moves along the first fuel gas flow path 36 (in the direction of arrow C).

また、燃料ガスは、中間セパレータ６８の第２入口側連通路部８２ａを構成する連結路８４ａに供給され、貫通孔８６ａを通って第２金属プレート８０側に移動する。従って、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動する。   Further, the fuel gas is supplied to the connecting passage 84a that constitutes the second inlet side communication passage portion 82a of the intermediate separator 68, and moves to the second metal plate 80 side through the through hole 86a. Therefore, the fuel gas moves in the direction of gravity (the direction of arrow C) along the second fuel gas channel 46.

これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体６６ａ、６６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスとアノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。反応に使用された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って排出される。反応に使用された燃料ガスは、第１及び第２出口側連通路部７２ｂ、８２ｂを構成する貫通孔７６ｂ、８６ｂを通って連結路７４ｂ、８４ｂから燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される。   Thereby, in the first and second electrolyte membrane / electrode structures 66a and 66b, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 24 are electrically generated in the electrode catalyst layer. It is consumed by a chemical reaction to generate electricity. The oxidant gas used for the reaction is discharged along the oxidant gas outlet communication hole 30b. The fuel gas used in the reaction is discharged from the connection passages 74b and 84b to the fuel gas outlet communication hole 34b through the through holes 76b and 86b constituting the first and second outlet side communication passages 72b and 82b.

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、各燃料電池ユニット６２間に形成された第１冷却媒体流路３８に沿って矢印Ｃ方向に流通する。また、冷却媒体の一部は、中間セパレータ６８を構成する第１金属プレート７８に形成された貫通孔８８ａを通って第１及び第２金属プレート７８、８０間に形成された第２冷却媒体流路４８に供給される（図９及び図１０参照）。このため、冷却媒体は、第２冷却媒体流路４８に沿って矢印Ｃ方向に流動する。   On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32 a flows in the direction of arrow C along the first cooling medium flow path 38 formed between the fuel cell units 62. Further, a part of the cooling medium flows through the second cooling medium flow formed between the first and second metal plates 78, 80 through the through hole 88 a formed in the first metal plate 78 constituting the intermediate separator 68. It is supplied to the path 48 (see FIGS. 9 and 10). For this reason, the cooling medium flows in the direction of arrow C along the second cooling medium flow path 48.

第１冷却媒体流路３８を流動した冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される一方、第２冷却媒体流路４８に沿って流動した冷却媒体は、図９に示すように、第１金属プレート７８に形成された貫通孔８８ｂを通って冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。   The cooling medium that has flowed through the first cooling medium flow path 38 is discharged to the cooling medium outlet communication hole 32b, while the cooling medium that has flowed along the second cooling medium flow path 48 is, as shown in FIG. 1 through the through hole 88b formed in the metal plate 78 and discharged to the cooling medium outlet communication hole 32b.

このように、構成される第２の実施形態では、中間セパレータ６８が第１及び第２金属プレート７８、８０を接合して構成されるとともに、前記第１及び第２金属プレート７８、８０内に第２冷却媒体流路４８が形成されており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   As described above, in the second embodiment configured, the intermediate separator 68 is configured by joining the first and second metal plates 78 and 80, and is disposed in the first and second metal plates 78 and 80. The second cooling medium flow path 48 is formed, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

１０、６０…燃料電池スタック １２、６２…燃料電池ユニット
１４、６４…アノード側セパレータ
１６ａ、１６ｂ、６６ａ、６６ｂ…電解質膜・電極構造体
２０、７０…カソード側セパレータ ２２…固体高分子電解質膜
２４…アノード側電極 ２６…カソード側電極
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６、４６…燃料ガス流路 ３６ａ、４４ａ、４６ａ、５２ａ…凹部
３６ｂ、４４ｂ、４６ｂ、５２ｂ…凸部
３８、４８…冷却媒体流路 ４０、４２…金属プレート
４４、５２…酸化剤ガス流路 ５０ａ…入口側連通路
５０ｂ…出口側連通路 ６８…中間セパレータ
７２ａ、８２ａ…入口側連通路部 ７２ｂ、８２ｂ…出口側連通路部
８８ａ、８８ｂ…貫通孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 60 ... Fuel cell stack 12, 62 ... Fuel cell unit 14, 64 ... Anode side separator 16a, 16b, 66a, 66b ... Electrolyte membrane and electrode structure 20, 70 ... Cathode side separator 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... anode side electrode 26 ... cathode side electrode 30a ... oxidant gas inlet communication hole 30b ... oxidant gas outlet communication hole 32a ... cooling medium inlet communication hole 32b ... cooling medium outlet communication hole 34a ... fuel gas inlet communication hole 34b ... fuel gas Outlet communication hole 36, 46 ... Fuel gas flow path 36a, 44a, 46a, 52a ... Recess 36b, 44b, 46b, 52b ... Protrusion 38, 48 ... Cooling medium flow path 40, 42 ... Metal plates 44, 52 ... Oxidizing agent Gas flow path 50a ... Inlet side communication path 50b ... Outlet side communication path 68 ... Intermediate separators 72a, 82a ... Inlet side communication path section 7 b, 82b ... outlet side communicating passage portion 88a, 88b ... through-hole

Claims (6)

電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を備え、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、中間セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第２セパレータの順に積層される燃料電池ユニットが複数積層される燃料電池スタックであって、
前記第１及び第２電解質・電極構造体間には、前記第１電解質・電極構造体に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路と、前記第２電解質・電極構造体に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、
前記第２反応ガス流路と前記第１電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 A first separator, a first electrolyte / electrode structure, an intermediate separator, a second electrolyte / electrode structure, and a second separator; A fuel cell stack in which a plurality of fuel cell units stacked in the order of separators are stacked,
Between the first and second electrolyte / electrode structures, a first reaction gas channel for supplying one reaction gas to the first electrolyte / electrode structure, and the other to the second electrolyte / electrode structure. Second reaction gas flow paths for supplying the reaction gas are alternately provided along the electrode surface direction,
A fuel cell stack, wherein a coolant flow path is formed between the second reaction gas flow path and the first electrolyte / electrode structure. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記中間セパレータは、第１及び第２金属プレートを備え、
前記第１金属プレートは、前記第１電解質・電極構造体から離間して前記第１反応ガス流路を形成する第１凹部と前記第１電解質・電極構造体側に突出する第１凸部とを交互に設ける一方、
前記第２金属プレートは、前記第２電解質・電極構造体から離間して前記第２反応ガス流路を形成する第２凹部と前記第２電解質・電極構造体側に突出する第２凸部とを交互に設け、且つ前記第２凹部の裏面側が前記第１金属プレートの前記第１凸部の裏面側に間隙を有して配置されることにより、前記冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein the intermediate separator comprises first and second metal plates,
The first metal plate includes a first concave portion that is spaced apart from the first electrolyte / electrode structure and forms the first reactive gas flow path, and a first convex portion that protrudes toward the first electrolyte / electrode structure side. While providing alternately,
The second metal plate includes a second concave portion that is spaced apart from the second electrolyte / electrode structure and forms the second reactive gas flow path, and a second convex portion that protrudes toward the second electrolyte / electrode structure. The cooling medium flow path is formed by alternately providing the back surface side of the second concave portion with a gap on the back surface side of the first convex portion of the first metal plate. And fuel cell stack. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１金属プレートは、前記第１凸部が前記第１電解質・電極構造体に接する一方、前記第１凹部の裏面が、前記第２電解質・電極構造体に接する前記第２金属プレートの前記第２凸部の裏面に接することを特徴とする燃料電池スタック。   3. The fuel cell stack according to claim 2, wherein the first metal plate has the first convex portion in contact with the first electrolyte / electrode structure, and the back surface of the first concave portion is the second electrolyte / electrode structure. A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is in contact with a back surface of the second convex portion of the second metal plate in contact with a body. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体流路は、前記第１金属プレートの前記第１電解質・電極構造体に接する前記第１凸部の冷却媒体接触面積が、前記第２金属プレートの前記第２電解質・電極構造体に接する前記第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積とは異なることを特徴とする燃料電池スタック。   4. The fuel cell stack according to claim 3, wherein the cooling medium flow path has a cooling medium contact area of the first convex portion that contacts the first electrolyte / electrode structure of the first metal plate. The fuel cell stack is different from a cooling medium contact area on the back surface of the second convex portion in contact with the second electrolyte / electrode structure. 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、前記第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、
前記第１電解質・電極構造体に接する前記第１凸部の冷却媒体接触面積は、前記第２電解質・電極構造体に接する前記第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積より大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 5. The fuel cell stack according to claim 4, wherein the first reaction gas channel is an oxidant gas channel, while the second reaction gas channel is a fuel gas channel,
The cooling medium contact area of the first convex part in contact with the first electrolyte / electrode structure is set larger than the cooling medium contact area of the back surface of the second convex part in contact with the second electrolyte / electrode structure. A fuel cell stack characterized by 請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記中間セパレータは、前記第１金属プレート及び前記第２金属プレートにシール部材が一体成形されて構成されることを特徴とする燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 2 to 5, wherein the intermediate separator is configured by integrally forming a seal member on the first metal plate and the second metal plate. Fuel cell stack.
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